Comprender cómo viajan las partículas a través de un dispositivo es vital para mejorar la eficiencia de las células solares. Investigadores de KAUST, trabajando con un equipo internacional de científicos, ahora han desarrollado un conjunto de pautas de diseño para mejorar el rendimiento de los materiales moleculares.

Cuando un paquete de luz o fotón, es absorbido por un semiconductor, genera un par de partículas conocidas como excitón. Un electrón es una parte de este par; el otro es su equivalente cargado positivamente, llamado agujero. Los excitones son eléctricamente neutrales, por lo que es imposible ponerlos en movimiento aplicando un campo eléctrico. En cambio, los excitones "saltan" mediante un movimiento o difusión aleatorios. La disociación de los excitones en cargas es necesaria para crear una corriente, pero es muy improbable en un semiconductor orgánico.

"Por lo general, necesitamos mezclar dos semiconductores, un llamado donante de electrones y un aceptor de electrones, para generar cargos gratuitos de manera eficiente, "explica Yuliar Firdaus." Los materiales donante y aceptor se penetran entre sí; maximizar la longitud de difusión del excitón, la distancia que el excitón puede viajar antes de recombinarse y perderse, es crucial para optimizar el rendimiento de la célula solar orgánica.

Muchas células solares orgánicas anteriores se fabricaron mezclando un polímero con moléculas, conocidos como fullerenos. Pero más recientemente, la sustitución del fullereno con otros materiales orgánicos, como las moléculas pequeñas no completas, produjo mejoras impresionantes en la eficiencia del dispositivo.

Firdaus y sus colegas combinaron mediciones de la fotocorriente con espectroscopía ultrarrápida para calcular la longitud de difusión de una amplia variedad de moléculas no fullrene. Observaron longitudes de difusión de excitones muy largas, en el rango de 20 a 47 nanómetros, una mejora en el rango de 5 a 10 nanómetros característico de los fullerenos.

Para comprender mejor esta mejora, el equipo comparó los datos que describen la estructura cristalográfica de las moléculas con cálculos químicos cuánticos. De esta manera, pudieron identificar las relaciones clave entre la estructura química de la molécula y la longitud de difusión. Con estas conexiones establecidas, los científicos desarrollaron un conjunto de reglas para ayudar en la síntesis de materiales mejorados y, por último, ayudar al diseño de dispositivos fotovoltaicos orgánicos con una eficiencia de conversión mejorada.

"Próximo, planeamos investigar cómo los procesos de procesamiento de películas podrían afectar la tasa de transferencia de excitones de los aceptores de moléculas pequeñas existentes, ", dice Firdaus." También estamos interesados ​​en traducir las reglas de diseño molecular para sintetizar nuevos materiales aceptores con mejor rendimiento ".